CN110195224A - 一种钢体pdc钻头表面硬化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢体PDC钻头表面硬化方法，包括以下步骤：a、工件表面处理；b、增塑涂层制备；c、烘干、整形处理；d、熔结处理；e、后处理。本发明的有益效果是，可获得高硬度、高耐磨、高耐蚀合金涂层，具有自动化程度高、操作简单、劳动强度小，材料浪费小，零稀释率等优点；真空炉烧结过程在真空环境下进行，涂层合金和基体不会被氧化，在涂层合金粉熔化时容易排除熔融体中的气体夹杂，从而得到比较致密、没有微裂纹和微气孔的合金涂层；工件受热均匀，适合各种规格和任何形状的工件，尤其适合钢体PDC钻头复杂的表面形状。

Description

一种钢体PDC钻头表面硬化方法
技术领域
本发明涉及钻井钻头处理技术领域，尤其涉及一种钢体PDC钻头表面硬化方法。
背景技术
钢体PDC钻头具有设计灵活、加工精度高、工艺简单、开发周期短、抗冲击性能好、成本低等优点，因此其在石油钻井中得到了越来越广泛的应用。当前，广泛使用的钢体PDC钻头的钻头体通常为为一般为45#普通碳钢或35CrMo低合金钢，这种钻头穿着硬度低、耐磨性和抗钻井液冲蚀的能力较差的问题，经常因钻头体受到严重冲蚀而造成PDC钻头体的严重损坏，导致切削齿脱落，这就使得这类钻头的使用寿命大大降低，极大地影响了钻井速度，造成巨大的经济损失。
目前，为提高钢体PDC钻头的工作性能和使用寿命，大多采用对钻头钢体进行强化处理的方法。其中，采用表面熔覆技术，可以在钢体PDC钻头表面形成硬质合金涂层，达到提高钻头钢体耐磨性的目的。国内外PDC钻头生产厂家主要采用堆焊技术和火焰喷焊技术对钢体PDC钻头的钻头体表面进行熔覆强化处理。
堆焊，即用电焊或气焊法把材料熔覆在钻头体表面上形成碳化钨硬化层。堆焊得到的钻头体表面硬化层硬度大，与基体结合强度高，耐冲蚀性强，基本能够满足现场服役要求。
火焰喷涂，是利用火焰为热源，将金属与非金属材料加热到熔融状态，在高速气流的推动下形成雾流，喷射到基体上，喷射的微小熔融颗粒撞击在基体上时，产生塑性变形，成为片状叠加沉积涂层，以提高耐磨性能的表面强化方法。喷焊技术是在热喷涂基础上发展起来的改进型表面强化技术。通过火焰喷涂而得到的自熔性合金涂层与其它喷涂涂层一样，存在着多达25％的气孔，同时涂层与工件之间主要是机械结合(由附着力机械粘合)，结合强度低。为了消除涂层中的气孔和氧化物，形成无气孔之保护层，提高涂层与基体的结合强度，对于自熔性合金涂层可进行重熔(Fusing)处理，再加热至1000～1300℃，使颗粒熔化，造渣上浮到涂层表面，生成的硼化物和硅化物弥散在涂层中，使颗粒间和基体表面达到良好结合，最终沉积物是致密的金属结晶组织并与基体形成冶金结合层。一般情况下，喷焊层其结合强度约400MPa，喷焊层硬度可达65HRC，抗冲击性能较好、耐磨、耐腐蚀，外观呈镜面。
火焰喷焊和堆焊技术都可以获得冶金结合的高质量涂层，具有设备简单，操作灵活的优点，但存在着自动化程度低、劳动强度大，涂层组织、性能和厚度受人为因素影响大的缺点，另外，作业过程均在空气中进行，而合金元素容易被氧化，因此，表面熔覆强化处理作业的难度较大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种钢体PDC钻头表面硬化方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种钢体PDC钻头表面硬化方法，包括以下步骤：包括以下步骤：
a、工件表面处理
首先，对钢体PDC钻头体的表面进行除锈、除油、去污处理，再依次用丙酮、酒精对钢体PDC钻头体进行清洗；
b、增塑涂层制备
b1.将一定量的合成树脂粘结剂加入到镍包碳化钨自熔合金粉末中，常温条件下，用台式搅拌器揉拌5～10min，即可得膏状的增塑材料；
b2.将上述搅拌均匀的膏状增塑材料均匀地涂抹在表面处理后的钢体PDC钻头体上，形成厚度为1mm～2mm的增塑涂层；
c、烘干、整形处理
将涂覆有增塑涂层的工件置于干燥炉中加热至80～120℃，蒸发掉合成树脂粘结剂中的水，形成强度较大的预制涂层，加热22～25h，出炉后，整修外形；
d、熔结处理
d1.将烘干、整形处理后的工件放入真空烧结炉中，3Pa真空度下开始烧结，烧结过程分我三次加热过程；
d2.停止加热后关闭炉门利用炉体自身的散热缓慢降温至200℃，取出钢体PDC钻头，并在空气中冷却至常温，完成工件烧结处理；
e、后处理
检查工件上的涂层质量，若钢体PDC钻头上的涂层有局部裂纹或缺陷问题，采用喷焊工艺进行修补。
作为本发明的进一步优选，步骤a中，除锈、除油、去污处理过程为：
a1.先将钢体钻头放入喷砂机，用黑碳化硅砂对钻头表面进行喷砂处理，除去钻头表面锈迹，油污，同时打磨钻头表面；
a2.再将镶嵌好石墨替代块的钻头体依次用丙酮、酒精进行清洗。
作为本发明的进一步优选，所述镍包碳化钨自熔合金粉末由Ni60自熔合金粉和WC粉混合制成，且WC含量占总重量的25～35％，Ni60自熔合金粉含量占总重量的65～75％。
作为本发明的进一步优选，步骤b1中，所述镍包碳化钨自熔合金粉末包括Ni60自熔合金粉和WC，且WC的含量占总重量的25～35％。
作为本发明的进一步优选，步骤d中，三次加热过程具体包括：
控制第一加热区的温度范围为常温至600～650℃，在600～650℃下保温90min，去除预制涂层中绝大部分有机物质，留下Ni60自熔合金-WC粉；
控制第二加热区的温度范围为900～1000℃，镍包碳化钨自熔合金粉在低于自熔合金固相线的温度下保温3～5min，粉末被暂时烧结，使得预制涂层中未裂化的有机物进一步完全气化被除去；
控制第三加热区的温度范围为1140℃～1180℃，在1140℃～1180℃温度下保温120～150min。
作为本发明的进一步优选，第一加热区的升温速率为10～20℃/min。
作为本发明的进一步优选，第二加热区的升温速率为15～20℃/min。
本发明中真空烧结熔覆的工艺原理是：
在工件表面预先制备一层自熔合金粉末涂层，将预制涂层的工件放入真空炉内，在一定真空度条件下，将足够的热能作用于基体金属的涂层表面，在很短的时间内使预先涂覆在基体表面上的涂层熔融并浸润基体表面，使涂层与基体之间产生扩散互溶或界面反应，从而使涂层与基体牢固结合在一起，熔融、浸润、扩散、互溶以至重结晶的整个过程就是表面冶金的全部过程。
将自预制涂层工件放入烧结炉中重熔时，由于炉的升温时间较长，喷涂层在高温中停留较长时间。当温度高于一定值(但低于自熔合金熔点)，由于高温的作用，原子运动加剧，使有更多的原子进人颗粒同的接触面，形成粘结点，并且随着时同和温度的增加，粘结点扩大，使原来的颗粒界面形成晶粒界面。在此过程中喷涂层粉末体总表面积减小，表面自由能降低形成烧结过程的原动力，这样自熔台金涂层在炉内重熔时，在未出现液相前由于烧结扩散的作用，涂层的结合强度就得到较大的提高；随着温度继续升高，自熔合金涂层出现渡相，由于包覆型镍基碳化钨自熔合金含有B、Si元素与金属的浸润性好,使得生成的渡相在毛细管应力作用下，液相进入烧结阶段形成的刚性骨架间隙，部份固相溶于渡相，氧化物在B、Si元素的作用下形成粘性较低的硅硼酸盐，在毛细管作用下渗出涂层，在表面形成颗粒状的硅硼酸盐碴。随着温度和时间的继续增加，液相不断增多，直至涂层将要流动的临界状态。此时，结合强度将达到最佳状态，涂层与基材也形成了冶金结合，重熔过程结束。
本发明的有益效果是，
1、本方法可以获得高硬度、高耐磨、高耐蚀合金涂层，具有自动化程度高、操作简单、劳动强度小，材料浪费小，零稀释率等突出的优点。
2、真空炉烧结过程在真空环境下进行，涂层合金和基体不会被氧化，在涂层合金粉熔化时容易排除熔融体中的气体夹杂，从而得到比较致密、没有微裂纹和微气孔的合金涂层。
3、工件受热均匀，适合各种规格和任何形状的工件，尤其适合钢体PDC钻头复杂的表面形状。
附图说明
图1为本发明实施例3中制得的钢体PDC钻头表面硬化涂层的扫描电镜图；
图2为本发明实施例3中制得的钢体PDC钻头表面硬化涂层的X射线衍射谱图；
图3为本发明实施例3中制得的钢体PDC钻头表面硬化涂层的纵截面线扫描能谱图；
图4为本发明实施例1中制得的A型钢体PDC钻头起出图；
图5为本发明实施例2中制得的B型钢体PDC钻头起出图；
图6为本发明实施例3中制得的C型钢体PDC钻头起出图；
图7为本发明实施例4中制得的D型钢体PDC钻头起出图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开的一种钢体PDC钻头表面硬化方法，包括以下步骤：
1、工件表面处理
对钢体PDC钻头体的表面进行除锈、除油、去污处理，再依次用丙酮、酒精对钢体PDC钻头体进行清洗，以此来改善刚体PDC钻头体表面与涂层的润湿性。
除锈、除油、去污处理过程为：
(11)先将钢体钻头放入喷砂机，用黑碳化硅砂对钻头表面进行喷砂处理，除去钻头表面锈迹，油污，同时打磨钻头表面，增加钻头表面积，使钻头与合金粉末结合更紧密；
(12)再将镶嵌好石墨替代块的钻头体依次用适量丙酮、酒精进行清洗。
2、增塑涂层制备
(21)将一定量的合成树脂粘结剂加入到镍包碳化钨自熔合金粉末中，常温条件下，用台式搅拌器揉拌5～10min，即可得膏状的增塑材料；
合成树脂粘结剂是乳液态，具有很好的漫流性能，在短时间的揉拌过程中，少量的合成树脂粘结剂可以在混合粉末中均匀的散开，揉拌过程中混合粉被均匀地涂上合成树脂粘结剂，形成膏状增塑材料。
(22)将上述搅拌均匀的膏状增塑材料均匀地涂抹在表面处理后的钢体PDC钻头体上，形成厚度为1mm～2mm的增塑涂层。
镍包碳化钨自熔合金粉末包括Ni60自熔合金粉和WC，且WC的含量占总重量的25～35％；制备增塑材料的原料，按重量份一百份计包括：粘结剂5～10份，镍包碳化钨自熔合金粉末90～95份。
3、烘干、整形处理
将涂覆有增塑涂层的工件置于干燥炉中加热至80～120℃，蒸发掉合成树脂粘结剂中的水，使增塑材料干燥，形成强度较大的预制涂层，出炉后，整修外形。
4、熔结处理
(41)将烘干、整形处理后的工件放入真空烧结炉中，3Pa真空度下开始烧结，烧结过程分我三次加热过程；
三次加热过程具体包括：
控制第一加热区的温度范围为常温至600～650℃，第一加热区的升温速率为10～20℃/min在600～650℃下保温90min，去除预制涂层中绝大部分有机物质，留下Ni60自熔合金-WC粉。
控制第二加热区的温度范围为900～1000℃，第二加热区的升温速率为15～20℃/min，使得镍包碳化钨自熔合金粉在低于自熔合金固相线温度下保温3～5min，自熔合金固相线温度为1050℃，粉末被暂时烧结，使得预制涂层中未裂化的有机物进一步完全气化被除去。
控制第三加热区的温度范围为1140℃～1180℃，1050℃为自熔合金固相线温度，1100℃为超过自熔合金液相线温度，在1140℃～1180℃温度下，在该高于液相线温度静热水平上，保温120～150min；如果在第三加热区停留的时间不够，烧结不能完善进行，在烧结体中易造成缺陷；烧结温度选择为1140℃～1180℃的原因是：当烧结温度为1200℃左右时，烧结体的尺寸变化会明显增大，炉温也不易控制，炉温不均匀，而选择1140℃～1180℃是适合的，可以消除这些不便利的条件。
(42)停止加热后关闭炉门利用炉体自身的散热缓慢降温至200℃，取出钢体PDC钻头，并在空气中冷却至常温，完成工件烧结处理。
本发明中，该真空烧结熔覆的工艺原理是：
在工件表面预先制备一层自熔合金粉末涂层，将预制涂层的工件放入真空炉内，在一定真空度条件下，将足够的热能作用于基体金属的涂层表面，在很短的时间内使预先涂覆在基体表面上的涂层熔融并浸润基体表面，使涂层与基体之间产生扩散互溶或界面反应，从而使涂层与基体牢固结合在一起，熔融、浸润、扩散、互溶以至重结晶的整个过程就是表面冶金的全部过程。
将自预制涂层工件放入烧结炉中重熔时，由于炉的升温时间较长，喷涂层在高温中停留较长时间。当温度高于一定值(但低于自熔合金熔点)，由于高温的作用，原子运动加剧，使有更多的原子进人颗粒同的接触面，形成粘结点，并且随着时同和温度的增加，粘结点扩大，使原来的颗粒界面形成晶粒界面。在此过程中喷涂层粉末体总表面积减小，表面自由能降低形成烧结过程的原动力，这样自熔台金涂层在炉内重熔时，在未出现液相前由于烧结扩散的作用，涂层的结合强度就得到较大的提高；随着温度继续升高，自熔合金涂层出现渡相，由于包覆型镍基碳化钨自熔合金含有B、Si元素与金属的浸润性好,使得生成的渡相在毛细管应力作用下，液相进入烧结阶段形成的刚性骨架间隙，部份固相溶于渡相，氧化物在B、Si元素的作用下形成粘性较低的硅硼酸盐，在毛细管作用下渗出涂层，在表面形成颗粒状的硅硼酸盐碴。随着温度和时间的继续增加，液相不断增多，直至涂层将要流动的临界状态。此时，结合强度将达到最佳状态，涂层与基材也形成了冶金结合，重熔过程结束。
5、后处理
检查工件上的涂层质量，若钢体PDC钻头上的涂层有局部裂纹或缺陷问题，采用喷焊工艺进行修补。
实施例1
本实施例中，镍包碳化钨自熔合金粉末中，选用Ni60-WC自熔合金粉末，二者的质量分数为：WC的含量为25％，Ni60自熔合金粉的含量为75％。
Ni60自熔合金粉末中，所含物质的重量百分比为：C占0.6～1.0％、B占2.5～4.5％、Si占3.0～5.0％、Cr占14～17％、Fe占≤15％、余量为Ni。
本实施例的一种钢体PDC钻头表面硬化方法，具体步骤如下：
1.选用基体材料为45#钢的A型钢体PDC钻头，用砂纸去除基体表面的氧化铁皮，再用酒精和丙酮擦拭工件表面。
2.将5kg合成树脂粘结剂加入95kg镍包碳化钨自熔合金粉中，常温下在台式搅拌器中揉拌5min，获得膏状增塑材料，再将搅拌均匀的膏状增塑材料抹涂在处理好的钻头体上，形成厚度1.5mm的涂层。
3.使用干燥炉加热至100℃，干燥增塑材料，出炉后，整修外形。
4.再将钻头放入卧式低真空度的普通烧结炉内，在3Pa真空度下开始烧结，其中：
第一加热区常温到600～650℃，温升速率为15～20℃/min，600～650℃下保温120min；
第二加热区900～1000℃，加热速率15～20℃/min，镍包碳化钨自熔合金粉在低于固相线(1050℃)的温度保温3～5min，粉末被暂时烧结起来；
第三加热区1140℃～1180℃，高于液相线温度1160℃静热水平上保持120min。
5、待真空烧结炉冷却至200℃左右，取出钻头体，在空气中冷却至常温。
5.对钻头体进行磨光。
图4是本实施例得到的钢体PDC钻头现场实验后起出图，可以看出，钢体表面硬化层完好无损。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，选用的基体材料为45#钢的B型钢体PDC钻头。
图5本实施例所得到的钢体PDC钻头现场实验后起出图，可以看出，钢体表面硬化层完好无损。
实施例3
本实施例与实施例1区别在于：选用的基体材料为45#钢的C型钢体PDC钻头；选用Ni60-WC自熔合金粉末，二者的质量分数为：WC的含量为30％，Ni60自熔合金粉的含量为70％。
图1为本实施例所制得的钢体PDC钻头表面硬化涂层在JSM6480LV型扫描电子显微镜下观察到的图片。
从图中可以看出，涂层表面组织致密，颗粒细小，且分布较为均匀，未见有裂纹、孔隙等明显缺陷存在。
图2为本实施例所制得的钢体PDC钻头表面硬化涂层的X射线衍射谱，根据涂层的X射线衍射结果，镍基合金涂层中相的成分如下：
镍的化合物：FeNi，Ni2B；
铬的化合物：Cr7BC4，CrB；
镍基合金中的共晶组织：Ni2.9Cr0.7Fe0.36；
钨的化合物：WC。
Ni基自熔性合金中，由于B，Si元素的加入，在高温下生成Ni-B，Fe-B与Ni的固溶体低熔点共晶，使合金熔点大幅度降低(950～1100℃)，因此可在比45钢熔化温度低得多的情况下，在钢表面制得熔覆涂层。同时，由于B，Si对母材的脱氧作用，使得母材表面净化、活化，促使Ni基合金很好地在母材表面上流布，提高了合金对母材表面的浸润性。在合金涂层中，B、Si元素对合金的金相组织有固溶强化和弥散强化作用。在镍基合金中，Si大部分固溶于Ni奥氏体中，起固溶强化作用。B除少量溶于Ni奥氏体中外，大部分以Ni2B、CrB等金属间化合物的形式弥散在合金中，起弥散强化作用。真空熔覆后，涂层的微观组织主要由三部分组成：基体、块状化合物和碳化钨。结合基体和化合物的化学成分确定化合物种类，在基体中Ni含量达到70％，Fe台量为27.32％，但Si含量仅有0.705％比合金粉末低得多。由此可判断基体主要由硼化物和Ni与Fe的固熔体组成，它们应该是FeNi，Ni2B，Ni2.9Cr0.7Fe0.36和CrB。在块状化合物中，Si的含量达到13.615％，C的含量达到8.724％，可推断块状化合物主要由硅化物和碳化物组成，应该是CrTBC4。另外，在化合物中钨的含量达到60％，由此可推测添加的WC与硅化物和其它碳化物熔在一起，组成了大的块状化合物。从化合物的种类分析，加入镍基合金中的WC并没有与合金发生反应，仅仅是溶于镍基合金中。
图3为本实施例所得到的钢体PDC钻头表面硬化涂层的纵截面线扫描电镜能谱图；从图中看出，涂层和基体之间元素的互熔扩散性变好，Cr、Ni和W等元素含量由外向里逐渐降低，而Fe元素含量由母材到涂层逐渐降低，说明Cr、Ni、W和Fe元素存在较大的浓度梯度，在真空熔烧的高温作用下发生了明显的扩散行为，扩散层中元素扩散主要以Fe、Ni为主。
表1是得到的钢体PDC钻头表面的硬化涂层硬度测量结果，将本实施例制得的镍基碳化钨合金涂层磨平，使用HRD-150电动洛氏硬度计，测量本实施例中工件的5个不同位置处的硬度，然后取平均值。
表1：钢体PDC钻头表面的硬化涂层硬度测量表
由此可以看出，采用本发明预制涂层真空熔结工艺所制备的镍基碳化钨涂层的硬度比45#钢基材的硬度提高了1.5倍。
图6为本实施例得到的钢体PDC钻头现场实验后起出图，可以看出，钢体表面硬化层完好无损。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于，选用的基体材料为45#钢的D型钢体PDC钻头，其余部分与实施例3相同。
图7为本实施例得到的钢体PDC钻头现场实验后起出图，可以看出，钢体表面硬化层完好无损。
现场试验例
另外，采用本发明的真空炉烧结熔覆方法对钢体PDC钻头进行表面硬化处理的工艺分别对A、B、C和D四种型号钢体PDC钻头进行了表面硬化处理，并在四口井进行了现场试验，拉伸强度测试试验结果见表2。
表2：硬化涂层拉伸强度测试结果表
上述试验结果表明，钢体表面硬化层的质量优良，达到了胎体PDC钻头的水平。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种钢体PDC钻头表面硬化方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、工件表面处理
首先，对钢体PDC钻头体的表面进行除锈、除油、去污处理，再依次用丙酮、酒精对钢体PDC钻头体进行清洗；
b、增塑涂层制备
b1.将一定量的合成树脂粘结剂加入到镍包碳化钨自熔合金粉末中，常温条件下，用台式搅拌器揉拌5～10min，即可得膏状的增塑材料；
b2.将上述搅拌均匀的膏状增塑材料均匀地涂抹在表面处理后的钢体PDC钻头体上，形成厚度为1mm～2mm的增塑涂层；
c、烘干、整形处理
将涂覆有增塑涂层的工件置于干燥炉中加热至80～120℃，蒸发掉合成树脂粘结剂中的水，形成强度较大的预制涂层，加热22～25h，出炉后，整修外形；
d、熔结处理
d1.将烘干、整形处理后的工件放入真空烧结炉中，3Pa真空度下开始烧结，烧结过程分我三次加热过程；
d2.停止加热后关闭炉门利用炉体自身的散热缓慢降温至200℃，取出钢体PDC钻头，并在空气中冷却至常温，完成工件烧结处理；
e、后处理
检查工件上的涂层质量，若钢体PDC钻头上的涂层有局部裂纹或缺陷问题，采用喷焊工艺进行修补。
2.如权利要求1所述的一种钢体PDC钻头表面硬化方法，其特征在于，步骤a中，除锈、除油、去污处理过程为：
a1.先将钢体钻头放入喷砂机，用黑碳化硅砂对钻头表面进行喷砂处理，除去钻头表面锈迹，油污，同时打磨钻头表面；
a2.再将镶嵌好石墨替代块的钻头体依次用丙酮、酒精进行清洗。
3.如权利要求1所述的一种钢体PDC钻头表面硬化方法，其特征在于，步骤b1中，制备增塑材料的原料，按重量份一百份计包括：粘结剂5～10份，镍包碳化钨自熔合金粉末90～95份。
4.如权利要求3所述的一种钢体PDC钻头表面硬化方法，其特征在于，步骤b1中，所述镍包碳化钨自熔合金粉末由Ni60自熔合金粉和WC粉混合制成，且WC的含量占总重量的25～35％，Ni60自熔合金粉含量占总重量的65～75％。
5.如权利要求1所述的一种钢体PDC钻头表面硬化方法，其特征在于，步骤d中，三次加热过程具体包括：
控制第一加热区的温度范围为常温至600～650℃，在600～650℃下保温90min，去除预制涂层中绝大部分有机物质，留下Ni60自熔合金-WC粉；
控制第二加热区的温度范围为900～1000℃，镍包碳化钨自熔合金粉在低于自熔合金固相线的温度下保温3～5min，Ni60自熔合金-WC粉被暂时烧结，使得预制涂层中未裂化的有机物进一步完全气化被除去；
控制第三加热区的温度范围为1140℃～1180℃，在1140℃～1180℃温度下保温120～150min。
6.如权利要求5所述的一种钢体PDC钻头表面硬化方法，其特征在于，第一加热区的升温速率为10～20℃/min。
7.如权利要求5所述的一种钢体PDC钻头表面硬化方法，其特征在于，第二加热区的升温速率为15～20℃/min。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111425146A (zh) * 2020-04-08 2020-07-17 长沙黑金刚实业有限公司 一种凿岩用复合焊层套管及其制备方法
CN113279701A (zh) * 2021-07-23 2021-08-20 四川川庆石油钻采科技有限公司 一种耐磨耐冲蚀pdc钻头及其设计方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101598005A (zh) * 2009-07-09 2009-12-09 祖国全 一种地源热泵钻井耐磨钻头及其制造方法
CN103464766A (zh) * 2013-08-19 2013-12-25 昆山乔锐金属制品有限公司 一种表面具有高硬度高耐磨蚀性金属制品的制备方法
CN104911586A (zh) * 2015-07-03 2015-09-16 上海材料研究所 一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101598005A (zh) * 2009-07-09 2009-12-09 祖国全 一种地源热泵钻井耐磨钻头及其制造方法
CN103464766A (zh) * 2013-08-19 2013-12-25 昆山乔锐金属制品有限公司 一种表面具有高硬度高耐磨蚀性金属制品的制备方法
CN104911586A (zh) * 2015-07-03 2015-09-16 上海材料研究所 一种在金属基材表面熔覆碳化钨覆层的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
吴仲行: "《真空熔结：表面工程实用技术》", 30 June 2016, 北京：冶金工业出版社 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111425146A (zh) * 2020-04-08 2020-07-17 长沙黑金刚实业有限公司 一种凿岩用复合焊层套管及其制备方法
CN113279701A (zh) * 2021-07-23 2021-08-20 四川川庆石油钻采科技有限公司 一种耐磨耐冲蚀pdc钻头及其设计方法

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